ES2535366T3 - Sistema para controlar dinámicamente la salida de par de torsión de una herramienta neumática - Google Patents

Sistema para controlar dinámicamente la salida de par de torsión de una herramienta neumática Download PDF

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ES2535366T3 ES07754971.5T ES07754971T ES2535366T3 ES 2535366 T3 ES2535366 T3 ES 2535366T3 ES 07754971 T ES07754971 T ES 07754971T ES 2535366 T3 ES2535366 T3 ES 2535366T3
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Abstract

Aparato para controlar dinámicamente la potencia de salida de una herramienta (3) neumática usada para apretar un elemento (1) de sujeción durante un ciclo de apriete, en el que la herramienta (3) neumática se hace funcionar en respuesta a aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática a una presión suministrada, y en el que el aparato comprende: un circuito (4) de control electrónico acoplado con la herramienta (3) neumática, para recibir señales eléctricas de la herramienta (3) neumática para realizar mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción; y un regulador (5) de presión de aire acoplado con la herramienta (3) neumática, para regular la presión de aire del aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática; en el que el circuito (4) de control electrónico se acopla con el regulador (5) de presión de aire para controlar dinámicamente la presión de aire del aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática durante el apriete del elemento (1) de sujeción, y para detener la herramienta (3) neumática cuando el elemento (1) de sujeción se ha apretado en respuesta a las mediciones de carga realizadas en el elemento (1) de sujeción.

Description

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SISTEMA PARA CONTROLAR DINÁMICAMENTE LA SALIDA DE PAR DE TORSIÓN DE UNA HERRAMIENTA NEUMÁTICA
DESCRIPCIÓN
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere al control del par de torsión o la potencia de herramientas de apriete neumáticas, y más específicamente, a herramientas neumáticas de alta velocidad, tales como herramientas de impacto e impulso, con fines de apriete de elementos de sujeción deseados.
Las herramientas de impacto e impulso se usan actualmente de manera extensa para apretar pernos no críticos en aplicaciones de la industria del automóvil y otras. Tales herramientas proporcionan razones de par de torsión con respecto a peso muy altas, son muy rápidas y tienen par de torsión de reacción muy bajo puesto que martillan eficazmente el perno hasta apretarlo. Desafortunadamente, sin embargo, la acción de impactación de las herramientas hace difícil controlar el proceso de apriete puesto que no es posible realizar mediciones exactas del par de torsión, como lo es con herramientas que funcionan de manera continua. Por consiguiente, tales herramientas rara vez se usan en aplicaciones críticas en las que se requiere que se aprieten pernos con precisión hasta una carga o un par de torsión especificados.
Se han desarrollado técnicas para realizar mediciones de carga directas en elementos de sujeción utilizando transductores ultrasónicos que se unen de manera retirable, o preferiblemente de manera permanente a los elementos de sujeción. Pueden encontrarse ejemplos de tales técnicas, por ejemplo, en la patente estadounidense n.º 6.990.866 (Kibblewhite); la patente estadounidense n.º 6.009.380 (Vecchio et al.); la patente estadounidense n.º
5.220.839 (Kibblewhite); la patente estadounidense n.º 5.018.988 (Kibblewhite et al.); la patente estadounidense n.º
4.899.591 (Kibblewhite); y la patente estadounidense n.º 4.846.001 (Kibblewhite), incorporándose cada una de las cuales como referencia como si se expusiera en su totalidad al presente documento. Se ha encontrado que tales técnicas hacen posible controlar directamente la carga de instalación de diversos tipos diferentes de elementos de sujeción usando todo tipo de herramientas de montaje, incluyendo herramientas de impacto e impulso.
Sin embargo, determinadas características asociadas con las herramientas de impacto e impulso, las hacen menos deseables para su uso en aplicaciones críticas. En primer lugar, si las herramientas se dimensionan para apretar pernos rápidamente, para minimizar el tiempo de montaje, el ángulo de rotación por impacto, y por consiguiente el aumento de carga por impacto, puede ser grande en el momento en que se alcanza la carga o el par de torsión especificados. Puesto que las herramientas no pueden detenerse durante un impacto, esto da como resultado una sobrecarga significativa para la herramienta (es decir, cargas finales que superan las cargas especificadas), incluso cuando se usan válvulas de solenoide de alta velocidad para detener la herramienta.
En segundo lugar, la velocidad de aproximación de tales herramientas es extremadamente alta, normalmente superior a 6.000 rpm. Cuando estas herramientas se usan con tuercas de bloqueo de par de torsión dominantes, elementos de sujeción de bloqueo o elementos de sujeción de formación de rosca, la aproximación a estas velocidades puede provocar un calentamiento localizado excesivo en las roscas del elemento de sujeción, dando como resultado cambios no deseados en las condiciones de fricción o la degradación de recubrimientos de rozamiento. Se ha encontrado que esto es común con el uso de tuercas de bloqueo de par de torsión dominante en la industria aeroespacial, por ejemplo.
El documento US 3 969 810 da a conocer un aparato para cortar la potencia de salida de una herramienta neumática usada para apretar un elemento de sujeción al final de un ciclo de apriete. El documento WO 2005/063448 da a conocer un control de una potencia de salida de una herramienta neumática en el que se realizan mediciones de par de torsión para controlar la presión de aire suministrada a la herramienta neumática.
Sumario de la invención
Un objetivo principal de la presente invención es eliminar las características no deseada mencionadas anteriormente de las herramientas de apriete neumáticas, permitiendo que tales herramientas se usen para el montaje a alta velocidad de pernos críticos hasta cargas precisas.
Según la presente invención, esto se logra controlando dinámicamente la potencia de salida de una herramienta neumática durante un ciclo de apriete tal como se define en la reivindicación de aparato 1 y la reivindicación de método 9 usando un regulador de presión de aire controlado electrónicamente para reducir la tasa de apriete, o el aumento de carga por impacto en el caso de una herramienta de impacto o impulso, para permitir que la herramienta se detenga con precisión a una carga o un par de torsión especificados.
En un modo preferido para elementos de sujeción de par de torsión, la potencia de salida de una herramienta neumática se controla dinámicamente durante el ciclo de apriete usando un regulador de presión de aire controlado electrónicamente para minimizar la velocidad de rotación durante la aproximación, para minimizar los efectos de
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calentamiento con elementos de sujeción de par de torsión dominante, y para aumentar entonces la potencia de la herramienta, según se requiera, para proporcionar el par de torsión para alcanzar una carga o un par de torsión de detención especificados.
En otro modo preferido, la presión de aire máxima suministrada a una herramienta neumática se limita, usando un regulador de presión de aire controlado electrónicamente, dependiendo del par de torsión esperado requerido para apretar el elemento de sujeción hasta una carga o un par de torsión especificados.
Las mejoras anteriores se describen adicionalmente con referencia a la descripción detallada que se proporciona a continuación en el presente documento, junto con el siguiente dibujo.
Breve descripción del dibujo
La única figura es una representación esquemática de una herramienta neumática en combinación con un sistema para controlar dinámicamente la potencia de salida de la herramienta neumática durante un ciclo de apriete con el elemento de sujeción.
Descripción de realizaciones preferidas
Haciendo referencia a la única figura proporcionada, una realización preferida de la presente invención incluye generalmente un elemento 1 de sujeción que se ha dotado de un transductor 2 ultrasónico, una herramienta tal como la llave 3 de impacto ilustrada que se ha modificado para medir la carga en el elemento 1 de sujeción durante el apriete usando el transductor 2 ultrasónico, un control 4 electrónico para realizar mediciones de carga en el elemento 1 de sujeción y para tomar decisiones de control basándose en las mediciones de carga que se han realizado, y un regulador 5 de presión de aire controlado electrónicamente asociado con la línea 6 de suministro que suministra aire a presión a la llave 3 de impacto para controlar dinámicamente la presión de aire suministrada a la llave 3 de impacto durante el apriete y para detener la llave 3 de impacto reduciendo la presión de aire suministrada a cero.
El elemento 1 de sujeción de la realización preferida de la presente invención es preferiblemente un elemento de sujeción con indicación de carga con un transductor 2 ultrasónico permanente, tal como se describe, por ejemplo, en las patentes estadounidenses n.º 6.990.866; n.º 5.220.839; n.º 4.899.591; n.º 4.846.001 a las que se hizo referencia anteriormente. Sin embargo, si se desea, el elemento 1 de sujeción también puede ser un elemento de sujeción convencional con un transductor ultrasónico retirable aplicado de manera adecuada al elemento de sujeción. Aunque el elemento 1 de sujeción seleccionado para ilustración en el dibujo es un perno roscado, ha de entenderse que puede usarse cualquiera de una variedad de diferentes tipos de elementos de sujeción según la presente invención, distintos del elemento 1 de sujeción que se ha mostrado con fines ilustrativos.
La llave 3 de impacto usada para apretar el elemento 1 de sujeción con indicación de carga se modifica preferiblemente con un pasador 7 desviado por resorte para permitir el contacto eléctrico con el transductor 2 ultrasónico con fines de realizar mediciones de carga en el elemento 1 de sujeción durante el apriete. Tales herramientas modificadas se describen, por ejemplo, en las patentes estadounidenses n.º 5.018.988 y n.º 4.899.591 a las que se hizo referencia anteriormente. Aunque se ha seleccionado la llave 3 de impacto para ilustración en el dibujo, ha de entenderse que puede usarse cualquiera de una variedad de diferentes tipos de herramientas de apriete según la presente invención, distintos de la llave 3 de impacto que se ha mostrado con fines ilustrativos.
La llave 3 de impacto se conecta eléctricamente a un control 4 electrónico que incluye conjuntos de circuitos de medición de carga ultrasónicos, tal como se describe, por ejemplo, en la patente estadounidense n.º 6.009.380 a la que se hizo referencia anteriormente, con fines de realizar mediciones de carga ultrasónicas a alta velocidad precisas en el elemento 1 de sujeción durante el apriete, con fines de control de carga, tal como se describe, por ejemplo, en la patente estadounidense n.º 6.990.866 a la que se hizo referencia anteriormente.
El regulador 5 de presión de aire controlado electrónicamente es un regulador a alta velocidad que puede cambiar preferiblemente la presión de aire suministrada a la llave 3 de impacto dentro de la cantidad de tiempo disponible entre impactos. Un ejemplo de un regulador de presión de aire controlado electrónicamente que puede proporcionar una función de este tipo es la válvula PAR-15 fabricada por Parker Pneumatic.
En un modo preferido de funcionamiento, el control 4 electrónico establece en primer lugar un ajuste de máxima presión de aire admisible para el elemento 1 de sujeción que está apretándose, basándose en la capacidad de la herramienta (la llave 3 de impacto) y el máximo par de torsión esperado requerido para apretar el elemento 1 de sujeción. El control 4 electrónico mide preferiblemente de manera continua la carga del elemento 1 de sujeción con indicación de carga durante el apriete. El control 4 electrónico calcula una tasa de apriete o un aumento en la carga a lo largo de un intervalo de tiempo tal como, por ejemplo, un aumento de carga durante el tiempo en el que la herramienta de impacto suministra dos impactos. Tras cada medición de carga y cálculo de la tasa de carga, el control 4 electrónico toma una decisión de si aumentar la presión de aire, disminuir la presión de aire o dejar la presión de aire en su ajuste actual, basándose en la medición de carga y el cálculo de la tasa de carga.
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Si la herramienta está usándose con elementos de sujeción de par de torsión dominante, puede ser deseable realizar la aproximación del elemento 1 de sujeción a una velocidad reducida. En tales casos, preferiblemente se hace que el control 4 electrónico funcione ajustando en primer lugar la presión de aire a un ajuste de presión baja predeterminado que es suficiente para hacer rotar el elemento 1 de sujeción hasta que comienza la carga. Tan pronto como comienza la carga, que se indica cuando la carga medida alcanza un ajuste de carga de aproximación mínimo predeterminado, el control 4 electrónico aumenta entonces la presión de aire hasta una presión de apriete normal, tal como la máxima presión de aire admisible predeterminada para el elemento 1 de sujeción.
A medida que continúa el proceso de apriete, el control 4 electrónico realiza de manera continua mediciones de carga y cálculos de tasa de carga. Basándose en una comparación con una tasa de carga optimizada frente a carga característica almacenada para el tipo de herramienta utilizado (la llave 3 de impacto seleccionada), el control 4 electrónico aumenta, disminuye o deja inalterada el ajuste de presión de aire. A medida que la carga de apriete se aproxima a la carga de detención, por ejemplo a del 90% al 95% de la carga de detención, el control 4 electrónico reduce la presión de aire de modo que el aumento de carga por impacto es mínimo, por ejemplo, inferior al 2% de la carga de detención por impacto. Tan pronto como se alcanza la carga de detención, la presión de aire se reduce a cero, deteniendo la herramienta antes del siguiente impacto. Por consiguiente, el rebasamiento de apriete es mínimo, es decir, inferior al 2% en el ejemplo anterior.
Cuando se requiere que la herramienta apriete lo más rápidamente posible, tal como es habitualmente el caso en líneas de montaje de automóviles, por ejemplo, y suponiendo que no existe un requisito para una velocidad de aproximación reducida, entonces la herramienta se inicia preferiblemente en su ajuste de máxima presión de aire admisible y el procedimiento de control procede después tal como se describió anteriormente.
Como ejemplo de las operaciones anteriores, el sistema ilustrado en la única figura puede hacerse funcionar para apretar un elemento de sujeción con un transductor ultrasónico permanente realizando mediciones de carga durante el apriete del elemento de sujeción con una llave de impacto, y determinando dinámicamente la tasa de carga de apriete que ha de aplicarse al elemento de sujeción mediante la llave de impacto.
La tasa de apriete se mide en términos del aumento de carga a lo largo de un periodo correspondiente a 2 impactos, dividido entre la carga objetivo para el elemento de sujeción apretado, que se implementa preferiblemente en términos de actualizaciones de medición. En el presente ejemplo, el regulador de presión de aire puede fijarse en uno de 16 niveles de presión de aire. Se determinará entonces una estrategia de control de potencia dinámico mediante una de varias tablas de potencia predefinidas, que se usan para determinar si mantener, incrementar o decrementar en 1 el ajuste de presión de aire basándose en mediciones de carga y tasa de carga. El índice en la tabla será preferiblemente la carga actual (es decir, un intervalo del 5%), y la tabla contendrá una tasa de carga mínima y una tasa de carga máxima para la carga. Si la tasa de carga es inferior a la mínima, se incrementará el ajuste de presión de aire en 1 (hasta la máxima potencia de apriete disponible), y si es superior, se decrementará el ajuste de presión de aire en 1. La siguiente tabla ilustra una tabla de potencia predefinida típica para realizar la estrategia de control de potencia dinámico descrito previamente.
Tabla
Carga actual Índice de tabla (% de carga
Inc. si tasa < % aumento de carga Dec. si tasa > % aumento
(% del objetivo) / 5)
/ 2 impactos de carga / 2 impactos
0-5 0
10 255
5-10 1
10 255
10-15 2
10 255
15-20 3
10 255
20-25 4
10 255
25-30 5
10 255
30-35 6
10 255
35-40 7
10 255
40-45 8
10 255
45-50 9
10 255
50-55 10
7 20
55-60 11
7 20
60-65 12
7 15
65-70 13
7 15
10-75 14
7 15
75-80 15
6 10
80-85 16
6 10
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85-90 17 6 10 90-95 18 3 5 95+19 2 3
Los ajustes de usuario para el sistema anterior pueden incluir la selección de una tabla de potencias (en número), el tiempo entre impactos suministrados (por ejemplo, en incrementos de 10 ms), la carga de aproximación (% del objetivo), el ajuste de potencia de aproximación y el máximo par de torsión utilizable de la herramienta. Obsérvese
5 que se calculará un ajuste de máxima potencia de apriete a partir del máximo par de torsión utilizable y el máximo par de torsión especificado para una aplicación particular.
Puede iniciarse un modo de apriete rápido a un ajuste de máxima potencia de apriete, sin incrementar por encima de este nivel. En cada actualización de medición (por ejemplo, 12 ms) se calcula la tasa de carga y se mantiene, se
10 decrementa o se aumenta el ajuste de potencia según la tabla hasta que se alcanza la carga objetivo.
Puede iniciarse un modo de aproximación lenta, para elementos de sujeción de par de torsión dominante, con el ajuste de potencia de aproximación, y puede procederse hasta que se alcanza la carga de aproximación apropiada (%). En este punto, la potencia se aumenta hasta el ajuste de máxima potencia de apriete y se continúa tal como se
15 define en la tabla de potencia seleccionada, como para el apriete rápido.
Un experto en la técnica apreciará que el método descrito anteriormente de control de la tasa de apriete durante el apriete es aplicable a tipos de herramientas neumáticas distintos a la llave 3 de impacto ilustrada, tales como herramientas de impulso y herramientas neumáticas de apriete continuo. Se apreciará además que el método 20 descrito anteriormente puede usarse con elementos de sujeción convencionales y transductores ultrasónicos retirables, o elementos de sujeción convencionales con herramientas y controles electrónicos para medir el par de torsión y para determinar la tasa de par de torsión, en lugar de la carga y tasa de carga, de manera similar a lo descrito previamente, para minimizar el calentamiento con elementos de sujeción de par de torsión dominante o para minimizar el rebasamiento de par de torsión. Por consiguiente, ha de entenderse que los expertos en la técnica
25 pueden realizar diversos cambios en los detalles, materiales y disposición de partes que se han descrito e ilustrado en el presente documento para explicar la naturaleza de esta invención dentro del principio y alcance de la invención tal como se expresa en las siguientes reivindicaciones.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Aparato para controlar dinámicamente la potencia de salida de una herramienta (3) neumática usada para apretar un elemento (1) de sujeción durante un ciclo de apriete, en el que la herramienta (3) neumática se
    5 hace funcionar en respuesta a aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática a una presión suministrada, y en el que el aparato comprende:
    un circuito (4) de control electrónico acoplado con la herramienta (3) neumática, para recibir señales eléctricas de la herramienta (3) neumática para realizar mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción; y
    un regulador (5) de presión de aire acoplado con la herramienta (3) neumática, para regular la presión de aire del aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática;
    15 en el que el circuito (4) de control electrónico se acopla con el regulador (5) de presión de aire para controlar dinámicamente la presión de aire del aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática durante el apriete del elemento (1) de sujeción, y para detener la herramienta (3) neumática cuando el elemento (1) de sujeción se ha apretado en respuesta a las mediciones de carga realizadas en el elemento
    (1) de sujeción.
  2. 2. Aparato según la reivindicación 1, que incluye además un elemento (1) de sujeción roscado acoplado con la herramienta (3) neumática, en el que el elemento (1) de sujeción roscado es un elemento (1) de sujeción con indicación de carga que tiene un transductor ultrasónico asociado con el elemento (1) de sujeción roscado.
    25
  3. 3.
    Aparato según la reivindicación 1, en el que la herramienta (3) neumática incluye un contacto eléctrico para enganchar un transductor (2) ultrasónico asociado con el elemento (1) de sujeción, y para suministrar señales eléctricas producidas por el transductor (2) ultrasónico, para realizar las mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción, al circuito (4) de control electrónico.
  4. 4.
    Aparato según la reivindicación 3, en el que el contacto eléctrico es un pasador desviado por resorte colocado para enganchar partes de cabeza del elemento (1) de sujeción que está apretándose mediante la herramienta (3) neumática.
    35 5. Aparato según la reivindicación 1, en el que el circuito (4) de control electrónico recibe señales eléctricas de la herramienta (3) neumática para realizar las mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción.
  5. 6.
    Aparato según la reivindicación 5, en el que el circuito (4) de control electrónico incluye un circuito de medición de carga ultrasónico, para recibir las señales eléctricas de la herramienta (3) neumática, y para realizar mediciones de carga ultrasónicas en el elemento (1) de sujeción en respuesta a las señales eléctricas recibidas y durante el apriete.
  6. 7.
    Aparato según la reivindicación 1, en el que el regulador (5) de presión de aire es un regulador (5) de
    presión de aire controlado electrónicamente. 45
  7. 8. Aparato según la reivindicación 7, en el que el regulador de presión de aire controlado electrónicamente es una válvula reguladora a alta velocidad que puede cambiar la presión de aire suministrada a la herramienta
    (3) neumática en una cantidad de tiempo entre impactos sucesivos.
  8. 9. Método para controlar dinámicamente potencia de salida de una herramienta (3) neumática usada para apretar un elemento (1) de sujeción durante un ciclo de apriete, en el que la herramienta (3) neumática se hace funcionar en respuesta a aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática a una presión suministrada, y en el que el método comprende las etapas de:
    55 recibir señales eléctricas de la herramienta (3) neumática, y realizar mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción en respuesta a las señales eléctricas recibidas;
    regular la presión de aire del aire a presión suministrado a la herramienta (3) neumática en respuesta a las mediciones de carga realizadas en el elemento (1) de sujeción; y
    controlar dinámicamente el funcionamiento de la herramienta (3) neumática durante el apriete del elemento
    (1) de sujeción en respuesta a la presión de aire regulada y las mediciones de carga realizadas en el elemento (1) de sujeción.
    65 10. Método según la reivindicación 9, en el que el control dinámico de la presión de aire incluye la etapa de detener la herramienta (3) neumática cuando el elemento (1) de sujeción se ha apretado.
    6
  9. 11. Método según la reivindicación 10, que incluye además la etapa de detener la herramienta (3) neumática reduciendo la presión de aire suministrada a cero.
    5 12. Método según la reivindicación 9 que incluye además las etapas de enganchar un transductor (2) ultrasónico asociado con el elemento (1) de sujeción con un contacto eléctrico asociado con la herramienta
    (3) neumática, y suministrar señales eléctricas producidas por el transductor (2) ultrasónico, para realizar las mediciones de carga en el elemento (1) de sujeción, a un circuito (4) de control electrónico acoplado con la herramienta (3) neumática.
    10
  10. 13. Método según la reivindicación 9, en el que las mediciones se realizan de manera continua en el elemento
    (1) de sujeción durante el apriete.
  11. 14. Método según la reivindicación 9, en el que la regulación incluye además la etapa de tomar una decisión 15 durante el apriete del elemento (1) de sujeción para aumentar la presión de aire, disminuir la presión de aire
    o dejar la presión de aire en un ajuste actual, basándose en las mediciones de carga realizadas durante el apriete.
  12. 15. Método según la reivindicación 9, en el que la regulación incluye además la etapa de determinar una tasa
    20 de apriete para el elemento de sujeción y la etapa de tomar una decisión para aumentar la presión de aire, disminuir la presión de aire o dejar la presión de aire en un ajuste actual, basándose en las mediciones de carga y la tasa de apriete determinada.
    7
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